(57)【要約】【課題】窓やレンズの光学特性を変化させることなく、光学系の汚れを分解除去することができるガス濃度測定装置。【解決手段】レーザ光を出力するレーザ１ａとレーザ光が入射される光源部側光学素子２とを備える光源部１と、受光部側光学素子３と該受光部側光学素子からのレーザ光を受光する受光素子４ａとを備える受光部４と、光源部側と受光部側との少なくとも一方に配置され、パージ用空気を供給するパージ用空気供給源と１５、パージ用空気供給源に対応して設けられ、パージ用空気供給源側の光源部側光学素子又は受光部側光学素子の近傍に配置され、パージ用空気に対して所定の処理を施すことにより活性酸素を発生する活性酸素発生部１８とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出力するレーザと前記レーザ光が入射される光源部側光学素子とを備える光源部と、
受光部側光学素子と該受光部側光学素子からの前記レーザ光を受光する受光素子とを備える受光部と、
前記光源部側と前記受光部側との少なくとも一方に配置され、パージ用空気を供給するパージ用空気供給源と、
前記パージ用空気供給源に対応して設けられ、前記パージ用空気供給源側の前記光源部側光学素子又は前記受光部側光学素子の近傍に配置され、前記パージ用空気に対して所定の処理を施すことにより活性酸素を発生する活性酸素発生部と、
を有することを特徴とするガス濃度測定装置。  
【請求項２】
前記活性酸素発生部は、活性酸素としてＯ３を発生することを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
【請求項３】
前記活性酸素発生部は、交流電源の交流電力を第１電極と該第１電極から所定距離離れた第２電極とに印加し、前記パージ用空気中で無声放電を発生させて、Ｏ３を発生することを特徴とする請求項２記載のガス濃度測定装置。
【請求項４】
前記活性酸素発生部は、紫外線光源で発生した紫外線を前記パージ用空気に照射することにより、Ｏ３を発生することを特徴とする請求項２記載のガス濃度測定装置。
【請求項５】
前記活性酸素発生部は、活性酸素としてＯＨラジカルを発生することを特徴とする請求項１記載のガス濃度測定装置。
【請求項６】
前記活性酸素発生部は、直流電源の直流電力を第１電極と該第１電極から所定距離離れた第２電極とに印加し、前記パージ用空気中でコロナ放電を発生させてＯＨラジカルを発生することを特徴とする請求項５記載のガス濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザを用いて煙道排ガスの濃度を測定するガス濃度測定装置定に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体の分子は主に分子の振動とその倍音や結合音に起因する固有の吸収スペクトルが赤外線領域で観測される。この吸収の強度は光路上に存在する分子の数に比例する。このことを用いて、ガスの吸収スペクトルに波長を合わせた光源をガスに入射させ、透過した光を観測して吸光度を求めて、ガスの濃度を知ることができる。
【０００３】
しかしながら、対象ガスに含まれる粒子状汚染物質などにより光学系の汚れが発生する。
【０００４】
そこで、光学系の汚れを防止するものとして、例えば特許文献１、特許文献２の技術が知られている。
【０００５】
特許文献１に記載された光学装置は、ガス分析計に用いられ、図６に示すように、排ガス流路１０４内の排ガスＥｘに対して光を照射する照射部１０５と、排ガスＥｘを透過した光を反射する反射鏡１０８と、反射鏡１０８からの反射光を検出する検出部１０７と、反射鏡１０８の表面を仕切る衝立状の隔壁１０９と、隔壁１０９によって仕切られた各光学面にパージエアＡを供給するパージエア供給部１１０とを備え、光学系に対してパージガスを供給することにより排ガスによる光学系の汚れの付着を防止している。
【０００６】
特許文献２に記載された赤外線センサユニットは、図７に示すように、赤外線透過基板２０２の表面に光触媒層２０４を形成し、光触媒層２０４に紫外線発光ダイオード２３２からの紫外線を照射することにより、紫外線透過窓材２００に付着した汚れを分解除去している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１４０７０３号公報
【特許文献２】特開２００６−２６６８２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載されるように、パージガスを供給する方法では、光学系に付着した汚れは除去されにくい。また、特許文献２に記載されるように、光触媒層を形成する場合には光触媒層による光学特性（透過率）の変化に留意した処理が必要となる。
【０００９】
本発明の課題は、窓やレンズの光学特性を変化させることなく、光学系の汚れを分解除去することができるガス濃度測定装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るガス濃度測定装置は、上記課題を解決するために、レーザ光を出力するレーザと前記レーザ光が入射される光源部側光学素子とを備える光源部と、受光部側光学素子と該受光部側光学素子からの前記レーザ光を受光する受光素子とを備える受光部と、前記光源部側と前記受光部側との少なくとも一方に配置され、パージ用空気を供給するパージ用空気供給源と、前記パージ用空気供給源に対応して設けられ、前記パージ用空気供給源側の前記光源部側光学素子又は前記受光部側光学素子の近傍に配置され、前記パージ用空気に対して所定の処理を施すことにより活性酸素を発生する活性酸素発生部とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、活性酸素発生部は、パージ用空気に対して所定の処理を施すことにより活性酸素を発生するので、活性酸素の酸化力により、窓やレンズなどの光学素子の光学特性を変化させることなく、有機物を主成分とする汚れを光学系に付着前に分解し又は汚れが付着した後も分解除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１のガス濃度測定装置の構成図である。
【図２】実施例１のガス濃度測定装置の活性酸素発生部の構成を示す図である。
【図３】実施例２のガス濃度測定装置の活性酸素発生部の構成を示す図である。
【図４】実施例３のガス濃度測定装置の構成図である。
【図５】実施例４のガス濃度測定装置の構成図である。
【図６】従来のガス分析計に用いられる光学装置の一例を示す図である。
【図７】従来の赤外線センサユニットの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明のガス濃度測定装置のいくつかの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は、実施例１のガス濃度測定装置の構成図である。実施例１の濃度測定装置は、光源部１からのレーザ光に対して略直角方向に配置された煙道壁７にガスが流れる場合にガスの濃度を測定するものである。なお、煙道壁７に代えて、フローセルを用いてガスの濃度を測定しても良い。
【００１５】
実施例１のガス濃度測定装置は、コリメートレンズ、集光レンズなどの光学系が測定対象ガスと接触する部位に活性酸素を存在させることにより光学系の汚れを分解除去することを特徴とする。
【００１６】
図１に示すガス濃度測定装置において、左側の煙道壁７に取り付けられた発光部取付部品５ａの一端側には、レーザ（レーザ素子）１ａとその近傍に設置された測温素子１ｂとペルチェ素子１ｃを有する光源部１と、コリメートレンズ２と、レーザ制御基板８と、レーザ温調整基板９とが設けられている。光源部１は、レーザ１ａからのレーザ光をコリメートレンズ２（光源部側光学素子）を介して発光部取付部品５ａの内部に照射する。なお、コリメートレンズ２を光源部１内に設けても良い。
【００１７】
右側の煙道壁７に取り付けられた受光部取付部品５ｂの他端側には、受光素子４ａ、（ペルチェ素子４ｂ：受光素子側の温調はMCTを用いる場合に、所望するレベルのノイズ、波長感度特性の実現のために冷却のために用いる。）、プリアンプ回路４ｃを有する受光部４と、集光レンズ３（受光部側光学素子）、同期検波回路１１とが設けられている。なお、集光レンズ３を受光部４内に設けても良い。
【００１８】
測定対象ガス１０は、ＮＨ３、ＮＯ、ＮＯ２、ＳＯ２、ＨＣＬ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ２、Ｏ２、ＨＦなどである。光源部１はＤＦＢ−ＬＤ（半導体レーザ）やＤＦＢ−ＱＣＬ（量子カスケードレーザ）である。受光素子４ａは、ＰＤ（フォトダイオード）やＭＣＴ検出器である。
【００１９】
レーザ１ａは、レーザ光を発生する波長可変型の半導体レーザからなり、測温素子１ｂは、レーザ１ａの温度を検出し、レーザ温調基板９は、測温素子１ｂで検出された温度に基づきペルチェ素子１ｃを駆動してレーザ１ａの温度を制御することによりレーザ１ａの波長を安定化させる。
【００２０】
受光素子４ａは、発光部取付部品５ａ、受光部取付部品５ｂ内を透過したレーザ光を受光し受光信号を電気信号に変換し、プリアンプ回路４ｃは、受光素子４ａで検出された電気信号を増幅する。
【００２１】
（特に、MCTの場合、図示しない受光側の受光素子温調基板は、受光素子４ａの温度に基づきペルチェ素子４ｂを駆動して受光素子４ａの温度を制御することにより受光素子４ａの出力を安定化させる。）
同期検波回路１１は、図示しない受光側のレーザ制御基板から供給される参照信号の２倍の周波数を用いて、プリアンプ回路４ｃからの電気信号から２ｆ信号を検出する。Ａ／Ｄ変換回路１２は、同期検波回路１１からの信号をディジタル信号に変換する。演算回路１３は、Ａ／Ｄ変換回路１２からのディジタル信号に基づきガスの濃度を計算する。
【００２２】
光源部１からレーザ光が煙道に存在する測定対象ガス１０に対して照射され、測定対象ガス１０を透過した光は、受光素子４ａにより電気信号に変換された後、所定の信号処理が行われ、測定対象ガス１０の濃度が測定される。
【００２３】
さらに、ガス濃度測定装置は、光源部側と受光側とのそれぞれに、パージ用空気供給源１５、パージ用空気配管１７、活性酸素発生部１８を備える。
【００２４】
光源部側のパージ用空気配管１７は、一端が発光部取付部品５ａの内のコリメートレンズ２の近傍に取り付けられ、他端がパージ用空気供給源１５に取り付けられ、パージ用空気供給源１５からのパージ用空気を発光部取付部品５ａの内部に供給する。
【００２５】
受光側のパージ用空気配管１７は、一端が受光部取付部品５ｂの内の集光レンズ３の近傍に取り付けられ、他端がパージ用空気供給源１５に取り付けられ、パージ用空気供給源１５からのパージ用空気を受光部取付部品５ｂの内部に供給する。
【００２６】
光源部側及び受光側の活性酸素発生部１８は、活性酸素を発生して活性酸素を光学系取付部品５の内部に供給するもので、パージ用空気配管１７と光学系取付部品５（発光部取付部品５ａ、受光部取付部品５ｂ）とに取り付けられている。活性酸素は、Ｏ３（オゾン）、Ｏラジカル、ＯＨラジカルなどである。
【００２７】
図２は、実施例１のガス濃度測定装置の活性酸素発生部１８の構成を示す図である。図２（ａ）は、活性酸素発生部の断面図、図２（ｂ）は、活性酸素発生部の上面図である。
【００２８】
光学系取付部品５には、電極１８ａ、１８ｂ、絶縁体１８ｃ、誘電体絶縁膜１８ｆが取り付けられている。電極１８ａは、導電性を有するリング状の単層ソレノイドコイルからなり、電極１８ａの外側には円筒状の導電性を有する電極１８ｂが配置されている。
【００２９】
電極１８ａと電極１８ｂとの間には誘電体絶縁膜１８ｆが設けられ、電極１８ｂの外側には円筒状の絶縁体１８ｃが配置されている。電極１８ｂには、絶縁体１８ｃを挟んでパージ用空気配管１７が取り付けられている。
【００３０】
電源１８ｄは、交流電源からなり、電源１８ｄの一端に接続された電気配線１８ｅは、絶縁体１８ｃを貫通して電極１８ａの一端に接続され、電源１８ｄの他端に接続された電気配線１８ｅは、電極１８ｂに接続されている。
【００３１】
以上の構成によれば、パージ用空気供給源１５からのパージ用空気がパージ用空気配管１７を介して電極１８ａ，１８ｂに流れる。このとき、電源１８ｄは、交流電力を電極１８ａと電極１８ｂとに印加し、パージ用空気に含まれる酸素中で無声放電させるので、活性酸素が得られる。活性酸素を例えばオゾンとした場合、オゾンは酸素中で無声放電することによって得られる。
【００３２】
即ち、このオゾンの酸化力により光学部取付部品５やコリメートレンズ２、集光レンズ３付近に存在する有機物や光学部取付部品５やコリメートレンズ２、集光レンズ３に付着している有機物を酸化分解する。従って、コリメートレンズ２、集光レンズ３の光学特性を変化させることなく、光学系の汚れの防止と除去を行うことができる。
【実施例２】
【００３３】
図３は、実施例２のガス濃度測定装置の活性酸素発生部の構成を示す図である。実施例２のガス濃度測定装置は、活性酸素発生部がＨ２Ｏの存在下でコロナ放電を行うことで、活性酸素ＯＨラジカル（ヒドロキシルラジカル）を発生させることを特徴とする。
【００３４】
図３において、電極１８ｂ（カソード）の内部に設けられた電極１８ｇ（アノード）は、一端が尖った円錐状をなし、他端は電気配線１８ｅに接続されている。電源１８ｄ１は、直流電源からなり、直流電力を電極１８ｂと電極１８ｇとに印加する。すると、電極１８ｇの一端が尖っているため、電極１８ｇと電極１８ａとの間でコロナ放電が発生する。このコロナ放電により、
ｅ＋Ｈ２Ｏ→ｅ＋・ＯＨ＋Ｈ
ｅ＋Ｏ２→ｅ＋・Ｏ＋・Ｏ
・Ｏ＋Ｈ２Ｏ→・ＯＨ＋・ＯＨ
の反応が起こり、・ＯＨ（ＯＨラジカル）が発生する。なお、ｅは電子を表す。
【００３５】
このＯＨラジカルの酸化力により、光学系取付部品５やコリメートレンズ２、集光レンズ３付近に存在している有機物を酸化分解することができる。従って、コリメートレンズ２、集光レンズ３の光学特性を変化させることなく、光学系の汚れの防止と除去を行うことができる。
【００３６】
なお、コロナ放電に用いる電源は直流だけではなく、交流であったり高周波もあり得る。
【実施例３】
【００３７】
図４は、実施例３のガス濃度測定装置の構成図である。図４に示す実施例３のガス濃度測定装置は、図１に示す実施例１のガス濃度測定装置の活性酸素発生部１８に代えて、光源部側及び受光側のそれぞれに、紫外線光源１９、紫外線光源用電源２０、紫外線光源用配線２１を設けたことを特徴とする。
【００３８】
紫外線光源１９は、光学系取付部品５に取り付けられ、紫外線光源１９と紫外線光源用電源２０とは、紫外線光源用配線２１により接続されている。紫外線光源１９は、紫外線光源用電源２０からの電力供給により紫外線を発生し、この紫外線を光学系取付部品５内に流入されたパージ用空気に含まれる酸素に照射することにより、活性酸素であるオゾンを発生させる。
【００３９】
オゾンは、
Ｏ２＋ｈν→Ｏ＋Ｏ
Ｏ＋Ｏ２→Ｏ３
という反応により生成される。
【００４０】
また、オゾンがパージ用空気などに含まれるＨ２Ｏと反応すると、
Ｏ３＋Ｈ２Ｏ→Ｏ２＋２・ＯＨ
となり、さらに酸化力の強い・ＯＨ（ヒドロキシルラジカル）が生成される。従って、コリメートレンズ２、集光レンズ３の光学特性を変化させることなく、光学系の汚れの防止と除去を行うことができる。
【実施例４】
【００４１】
図５は、実施例４のガス濃度測定装置の構成図である。図５に示す実施例４のガス濃度測定装置は、図１に示す実施例１のガス濃度測定装置に対して、さらに、光を透過する窓材２５（光源部側光学素子及び受光部側光学素子）を設けたことを特徴とする。窓材２５は、コリメートレンズ２及び集光レンズ３の近傍で且つコリメートレンズ２及び集光レンズ３に対向させて配置される。
【００４２】
実施例４のガス濃度測定装置によれば、コリメートレンズ２、集光レンズ３の光学特性を変化させることなく、窓材２５、コリメートレンズ２、集光レンズ３の汚れの防止と除去を行うことができる。
【００４３】
なお、本発明は、実施例１乃至４のガス濃度測定装置に限定されるものではない。実施例１、実施例２、実施例４では、光源部側及び受光側のそれぞれに、活性酸素発生部１８を設けたが、例えば、光源部側及び受光側のいずれか一方に、活性酸素発生部１８を設けても良い。
【００４４】
また、実施例３では、光源部側及び受光側のそれぞれに、紫外線光源１９、紫外線光源用電源２０、紫外線光源用配線２１を設けたが、例えば、光源部側及び受光側のいずれか一方に、紫外線光源１９、紫外線光源用電源２０、紫外線光源用配線２１を設けても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明に係るガス濃度測定装置は、ガス分析装置に利用可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１‥光源部、１ａ‥レーザ、１ｂ‥測温素子、２‥コリメートレンズ、３‥集光レンズ、４‥受光部、４ａ‥受光素子、４ｂ‥ペルチェ素子、４ｃ‥プリアンプ回路、５ａ‥発光部取付部品、５ｂ‥受光部取付部品、６‥煙道部取付部品、７‥煙道壁、８‥レーザ制御基板、９‥レーザ温調基板、１０‥測定対象ガス、１１‥同期検波回路、１２‥Ａ／Ｄ変換回路、１３‥演算回路、１５‥パージ用空気供給源、１７‥パージ用空気配管、１８‥活性酸素発生部、１８ａ，１８ｂ，１８ｇ‥電極、１８ｃ‥絶縁体、１８ｄ‥電源、１８ｅ‥電気配線、１８ｆ‥誘電体絶縁膜、１９‥紫外線光源、２０‥紫外線光源用電源、２１‥紫外線光源用配線、２５‥窓材。  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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